ICP-AES测定钴基高温合金中硅方法初探

鲍叶琳 刘鹏宇 臧慕文

摘 要：测定高温合金中的硅，传统的方法是采用盐酸硝酸混酸分解，加入氢氟酸，水浴加热溶解样品中硅，以钼蓝分光光度法测定。因钴基高温合金具有坚硬且耐腐蚀等特点，采用电炉加热分解样品时间长且样品易沾污;钼蓝光度法显色需要多种试剂，显色过程时间长。本文采用微波消解样品，用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES），通过选择元素间相对无干扰的光谱线251.611nm或288.158nm作为Si的分析线，测定了钴基高温合金中的硅。方法检出限为0.008μg/mL，加标回收率为95.3%。11次平行测定的相对标准偏差为1.8%。精密度和正确度能满足分析要求。

关键词：电感耦合等离子体原子发射光譜法;微波消解;钴基高温合金;硅

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.050

钴基高温合金因硬度大，有优良的高温抗氧化与耐腐蚀性能等优点，被广泛应用于制作涡轮发动机叶片的合金材料[1]。主要用于航空喷气发动机、工业燃气轮机、舰船燃气轮机的导向叶片和喷嘴导叶以及柴油机喷嘴，在医学上还可用于人工关节等[2]。高温合金中的硅元素影响着合金的硬度，可以通过控制合金中的Si 含量来改变合金组织和硬度[3]。

目前针对合金中硅的检测方法主要为分光光度法和重量法。钴基高温合金坚硬而耐腐蚀，用电炉加热分解样品需时长，易沾污或损失样品，不适合于大批量任务的检测。电感耦合等离子发射光谱分析法（ICP-AES）可同时测定多种元素，操作简单快捷。本文研究了钴基高温合金试样消解方法初步探索了其中硅含量的ICP-AES测定方法。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

725-ICP-AES发射光谱仪（美国安捷伦公司）。CEM-MARS5微波消解仪（美国CEM公司）。HCl，HNO3， HF（GR）;Si标准储备液（1. 0 mg /mL，国家有色金属及电子材料分析测试中心）;二次去离子水。

1.2 试验方法

称取0.10g（精确至0.0001g）样品，置于100mL微波消解罐中，加入混酸（VHCl：VHNO3：VHF=10：3：5），加盖密封，将消解罐置于微波消解仪。仪器参数的设置见表1。待消解结束后，温度冷却至低于60℃时取出，将溶液转移入250mL容量瓶中，用水稀释至刻度，摇匀。同时做一份空白溶液，和处理完的样品溶液一起用ICP-AES检测。

2 结果与讨论

2.1 样品预处理方式的选择

采用电热板加热。0.1g 样品需要加入25mL浓盐酸，5mL浓硝酸，于200℃电热板上加热3h，趁热加入5mL氢氟酸，继续低温加热至溶解完全，可得到清亮溶液。相比微波消解的样品预处理方式，传统的电热板加热不理想。

2.2 消解参数的选择

称取0.10g（精确至0.0001g）样品，分别采用不同的消解温度、不同的消解时间。表1步骤2中的温度和时间分别选择160℃和20 min，140℃和40 min，140℃和20 min，120℃和40 min。其中采用140℃加热保持20 min时测得Si的含量最高，检测值为质量分数1.04%。在同样140℃的消解温度下，增加保持时间得到的结果偏低;在相同的保持时间下提高消解温度，结果进一步降低。而140℃加热保持20 min的条件，得到的结果与传统光度法的结果（1.06%）吻合。若消解温度降至120℃，即使加热时间达到40min，仍有部分Si未能完全消解。消解温度高，时间长，Si易与氢氟酸生成易挥发的SiF4。于样品空白中加入20μg/mL的Si标准溶液，在160℃的消解温度下，保持20 min后冷却，定容后测定，回收率只有90%。说明160℃的消解温度已经可以造成Si的挥发损失。

2.3 消解酸度的选择

称取0.1g（精确至0.0001g）样品，分别加入不同比例的盐硝混酸以及5mL氢氟酸，按表1中条件消解后测定，对比结果见图1。

结果表明，增大盐硝混酸的量对结果没有显著的影响。酸度高会影响检测仪器的使用寿命，增加环境负担。在样品消解完全的前提下，应该用最少量的酸，所以选择10mL盐酸，3mL硝酸溶解样品。

2.4 共存元素干扰和分析线波长的选择

根据实际样品的情况，选择50μg/mL的铝、钴、铬、铁、锰、镍、钼、钨、钽元素的标准溶液进行共存元素干扰的考察。使用纯试剂标准曲线，分别于250.690nm，251.611nm和288.158nm处观察表2中各元素的测定值，结果见表2。Co250.688对Si250.690光谱线存在不可忽略的干扰，Mo251.609光谱线对Si251.611nm光谱线存在干扰;当待测溶液中的Mo质量浓度大于10μg/mL时，Mo对Si251.611分析线的干扰已经不可忽略。W288.159光谱线对Si288.158光谱线存在干扰;当待测溶液中的W质量浓度大于7μg/mL时，W对Si288.158分析线的干扰已经不可忽略。Ta288.160光谱线对Si 288.158分析线存在不可忽略的干扰;当待测溶液中的Ta质量浓度大于0.8μg/mL时，W对Si288.158分析线的干扰已经不可忽略。当样品中含有较高的W，Mo，Ta共存元素时，应根据具体含量选择251.611nm或288.158nm作为Si的分析线。

2.5 加标回收实验

称取0.1g（精确至0.0001g）样品，加入含有4μg/mLSi的标准溶液，微波消解，ICP-AES测定。回收率为95.3%，能满足分析要求。

2.6 光度法对照实验

称取0.1g（精确至0.0001g）样品，用光度法进行比对，结果为1.06%，与ICP-AES结果1.04%良好吻合，两种方法可互相验证。

2.7 检出限和测定下限

对含基体空白的溶液进行独立的11次测定，按其3倍标准偏差所对应的浓度计算的检出限为0.008μg/ mL;按5倍检出限计算的测定下限为0.04μg/ mL。能满足分析的要求。

2.8 精密度实验

样品独立测定11次，计算得到标准偏差为0.018，相对标准偏差为1.8%。能够满足分析的要求。

3 结论

经过初步探索，利用微波消解技术对难溶的钴基高温合金样品进行前处理，再利用ICP-AES测定样品中硅含量的方法是可行的，且本方法在简化检测流程，节省人力和处理批量检测任务方面相比传统方法更具优势。

参考文献：

[1]张祖谦，刘志中.涡轮叶片用高温合金发展中的几个问题[J].国际航空，1978（04）：43-48.

[2]张强，张宏炜，贾新云等.长期时效对定向凝固高温合金DZ8组织与性能的影响[J].材料工程，2009，增刊1：142-145.

[3]尚丽娟，才庆魁，刘常升等.用稀土改性钴基合金激光熔覆层[J].稀有金属，2002，26（03）：173-178.

[4]缪亚国，李颖.硅钼蓝光度法测定钴基焊丝中的硅含量[J].现代冶金，2016，44（03）：21-22.